الخلايا الشمسية الضوئية من الجيل الثالث هي خلايا شمسية قادرة على التغلب على حدّة Shockley – Queisser من كفاءة الطاقة 31-41٪ للخلايا الشمسية ذات فجوة الحزمة الواحدة. وهذا يشمل مجموعة من البدائل للخلايا المصنوعة من تقاطعات pn شبه الموصلة (“الجيل الأول”) وخلايا الفيلم الرقيقة (“الجيل الثاني”). تتضمن أنظمة الجيل الثالث الشائعة خلايا متعددة الطبقات (“ترادفية”) مصنوعة من السيليكون غير المتبلور أو زرنيخيد ال gallاليوم ، في حين تشمل التطورات النظرية أكثر تحويل التردد ، (أي تغيير ترددات الضوء التي لا تستطيع الخلية استخدامها للترددات الضوئية التي تستطيع الخلية استخدام – وبالتالي إنتاج المزيد من الطاقة) ، والتأثيرات الحاملة الساخنة وغيرها من تقنيات طرد متعددة الناقل.

تشمل الخلايا الكهروضوئية الناشئة ما يلي:

النحاس الزنك كبريتيد القصدير الخلايا الشمسية (CZTS) ، وينتج CZTSe و CZTSSe
خلية شمسية ذات حساسية صبغة ، تعرف أيضًا باسم “خلية Grätzel”
الخلايا الشمسية العضوية
Perovskite الخلايا الشمسية
الخلية الشمسية نقطة الكم

وقد لقيت الإنجازات التي تحققت في أبحاث الخلايا البيروفسكيتية اهتماما خاصا في أوساط الجمهور ، حيث ارتفعت كفائتها البحثية مؤخرا إلى أكثر من 20 في المائة. كما أنها توفر مجموعة واسعة من التطبيقات منخفضة التكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تكنولوجيا ناشئة أخرى ، وهي الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) ، تستخدم خلايا شمسية عالية الكفاءة ومتعددة الوصلات مع العدسات البصرية ونظام التتبع.

التقنيات
يمكن اعتبار الخلايا الشمسية كنظيرات ضوئية مرئية لمستقبلات الراديو. يتكون المستقبل من ثلاثة أجزاء أساسية ؛ الهوائي الذي يحول موجات الراديو (الضوء) إلى حركات تشبه الموجات للإلكترونات في مادة الهوائي ، وهو صمام إلكتروني يحبس الإلكترونات أثناء خروجها من نهاية الهوائي ، وموالفًا يضخّم الإلكترونات للتردد المختار. من الممكن بناء خلية شمسية مماثلة للإذاعة ، وهو نظام يعرف باسم المستقيم البصري ، ولكن حتى الآن لم تكن هذه العملية عملية.

تتكون غالبية سوق الطاقة الشمسية من الأجهزة القائمة على السيليكون. في خلايا السليكون ، يعمل السليكون على شكل الهوائي (أو متبرع الإلكترون ، تقنيًا) وكذلك صمام الإلكترون. يتوفر السيليكون على نطاق واسع ، وهو رخيص الثمن نسبيًا وله فجوة نطاقية مثالية لجمع الطاقة الشمسية. وعلى الجانب السلبي ، فإن إنتاج السيليكون بكميات كبيرة وبكفاءة اقتصادية وبذل جهود كبيرة لتقليل الكمية المطلوبة. علاوة على ذلك ، فهو هش ميكانيكياً ، والذي يتطلب عادةً صفيحة من الزجاج القوي لاستخدامه كدعم ميكانيكي وحماية من العناصر. الزجاج وحده هو جزء كبير من تكلفة الوحدة الشمسية النموذجية.

وفقا لحدود Shockley – Queisser ، ترجع غالبية الكفاءة النظرية للخلية إلى الفرق في الطاقة بين فجوة نطاقها وفوتون الطاقة الشمسية. أي فوتون ذو طاقة أكبر من فجوة نطاقها يمكن أن يسبب تعريضًا للصور ، لكن أي طاقة فوق طاقة فجوة نطاق الطاقة مفقودة. النظر في الطيف الشمسي. فقط جزء صغير من الضوء الذي يصل إلى الأرض أزرق ، ولكن تلك الفوتونات لديها ثلاثة أضعاف طاقة الضوء الأحمر. فجوة نطاق السيليكون هي 1.1 فولت ، حول الضوء الأحمر ، لذلك في هذه الحالة ، يتم فقدان طاقة الضوء الأزرق في خلية سليكونية. إذا تم ضبط الفجوة ذات البياسة إلى الأعلى ، فلنقل أن اللون الأزرق يتم التقاطه الآن ، ولكن فقط على حساب رفض فوتونات الطاقة المنخفضة.

من الممكن أن تتحسن بشكل كبير على خلية وحيدة التوصيل عن طريق تكديس طبقات رقيقة من المواد ذات فجوات نطاق متفاوتة فوق بعضها البعض – نهج “الخلية الترادفية” أو “التقاطع المتعدد”. طرق إعداد السيليكون التقليدية لا تصلح لهذا النهج. تم استخدام الأغشية الرقيقة من السيليكون غير المتبلور بدلاً من ذلك ، خاصة منتجات Uni-Solar ، ولكن هناك مشكلات أخرى حالت دون تطابقها مع أداء الخلايا التقليدية. وتستند معظم هياكل الخلايا الترادفية إلى أشباه موصلات ذات أداء أعلى ، ولا سيما أرسينيد الغاليوم (GaAs). حققت خلايا GaAs ثلاثية الطبقات كفاءة بنسبة 41.6٪ للأمثلة التجريبية. في سبتمبر 2013 ، وصلت خلية من أربع طبقات إلى كفاءة 44.7 في المائة.

يُظهر التحليل العددي أن الخلية الشمسية “أحادية الطبقة” المثالية يجب أن يكون لها فجوة نطاق تصل إلى 1.13 فولت ، وهو بالضبط تقريباً السليكون. مثل هذه الخلية يمكن أن يكون لها الحد الأقصى من كفاءة تحويل الطاقة النظرية بنسبة 33.7 ٪ – يتم فقدان الطاقة الشمسية تحت الحمراء (في الأشعة تحت الحمراء) ، ويتم فقدان الطاقة الإضافية للألوان أعلى أيضا. بالنسبة لخلية من طبقتين ، ينبغي ضبط طبقة واحدة إلى 1.64 eV والأخرى عند 0.94 eV ، مع أداء نظري قدره 44٪. يجب ضبط خلية من ثلاث طبقات إلى 1.83 ، 1.16 و 0.71 فولت ، مع كفاءة 48٪. سيكون للخلية النظرية “الطبقة اللانهائية” كفاءة نظرية قدرها 68.2٪ للضوء المنتشر.

في حين أن تقنيات الطاقة الشمسية الجديدة التي تم اكتشافها تتمحور حول تكنولوجيا النانو ، هناك العديد من طرق المواد المختلفة المستخدمة حاليًا.

تشتمل تسمية الجيل الثالث على تقنيات متعددة ، على الرغم من أنها تتضمن تقنيات غير شبه موصلة (بما في ذلك البوليمرات والبيوميميتكس) ، والنقطة الكمومية ، والخلايا الشمسية التتابعية / متعددة الوصلات ، والخلية الشمسية ذات النطاق المتوسط ​​، والخلايا الحاملة الساخنة ، وتقنيات تحويل الفوتون وتقليل الضغط ، والطاقة الشمسية. التقنيات الحرارية ، مثل thermophotonics ، وهي إحدى التقنيات التي حددها Green بأنها الجيل الثالث.

تشمل أيضًا:

نانو السليكون
تعديل الطيف الحادث (تركيز) ، للوصول إلى 300-500 شمس وفعالية من 32 ٪ (سبق تحقيقها في سول الجيل الثالث 3G الخلايا) إلى + 50 ٪.
استخدام توليد حراري زائد (ناتج عن الأشعة فوق البنفسجية) لتعزيز الفولتية أو جمع الناقل.
استخدام الطيف تحت الحمراء لانتاج الكهرباء ليلا.

الجيل الرابع: هجين
ويستند الجيل التالي من الخلايا الشمسية على عرض غير عضوي في العضوي إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة مقارنة مع الجيل الثالث من الخلايا الشمسية الحالية (3Gen) ، مع زيادة تكلفته الأساسية. فهي تجمع – داخل نفس الطبقة – التكلفة المنخفضة والمرونة للأفلام البوليمر الموصلة (العضوية) مع استقرار حياة النانو (غير العضوية) والاستفادة من خصائص هذه المواد النشطة الهجينة الجديدة (العضوية / غير العضوية) للأداء ما وراء أجهزة 3G.